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微惯导室内定位技术 - 室内定位背后的微惯导技术解析 与北斗、GPS有何不同？
来源：雷锋网 作者：大格子GZ日 11:27
[导读] 室内定位当前有没有“刚需”呢？答案是肯定的。今天我们不谈现在很热闹的消费级市场应用，我们谈下室内定位技术在一些特殊但很重要的场景——消防救援、反恐处突、抢险救灾等应急任务中的应用。
　　微惯导室内定位技术在应急任务中具有无可替代的优势
　　在应急任务场合，业内主流室内定位技术普遍需要外部设施，大多数无法满足紧急情况下自主定位的要求。在这种情况下，首先想到的就是惯导室内定位技术。基于此，市场上也涌现了一批做惯导定位的公司。
　　国外的代表公司有Honeywell、SEER Technology，产品的定位精度基本上为2%-5%，也就是说用户行走1km，位置误差为20米，这是无法满足实际应用需求的，会延误逃生、救援等和位置精度密切相关的应急任务，整个产品没有达到真正实战的技术指标。因此这部分产品也因技术不成熟而未能打开市场。
　　国内也有几家公司在做，如微迈森，和笔者所在的格纳微科技等。其中，我们的产品定位精度达到了0.3%，相当于走1公里误差不到3米，可以适应《15km/h的走路、小跑、侧移、后退等任意步行姿态，基本可以满足实际应用需求了。
　　一般人对于0.3%精度仍有质疑，其实产品采用的是普通的低成本MEMS方案，就是智能手机中的G-sensor，而且不依靠任何基站等辅助信息。这种低成本的MEMS器件，通常会有极高的方向漂移误差（&100&/h）和加速度误差，如果仅采用普通的航位推算算法，加速度积分带来的速度和位移误差将高达10%以上。
　　微惯导室内定位技术目前发展比较快，主要是用于紧急救援或者军事用途，大概分为两种：
　　（1） 佩戴于腰部的惯导模块，采用传统PDR航位推算方案；
　　（2） 佩戴于足部的惯导模块，基于足部运动模型开发，精度较高；
　　腰上的方案实用性更强，但是对于侧移、转弯、原地踏步等步态就会产生明显的误差积累。目前我们的腰部惯导产品的实验结果是2%的精度，走100米误差达到2m。业内比较知名的Honeywell的DRM4000（图2）和SEER Technology的NAViSEER（图3）都是采用这类技术方案，实测精度大约在2%～5%。腰部惯导定位模块无法适应特殊步态，实战应用受限，希望后期能看到更为优秀的产品和技术出现。
　　图2 DRM4000航位推算模块 & & & & & & & & & & & &图3 NAViSEER人员精确跟踪系统
　　足部的方案精度高，相对稳定，如果能够稳定在0.3%以内的精度，基本能满足应急任务的需求了，消防、反恐、救援任务在建筑物内行走距离不长，行走1km误差累计3m，用户基本都可以接受。
　　& 微惯导 + &融合定位解决方案
　　纯惯导定位在室内小场景，经过长时间的行走后，角度和位置漂移并不明显，因此在很多使用场景中并没有使用其它辅助定位手段。但是这种纯惯导定位产品依然有两个弱点：
　　一是输出为相对轨迹，需要将多个人员的轨迹统一到一个坐标系中，目前使用较多的做法是所有应急任务人员在出发时经过同一段长直线，在应用层将轨迹旋转到统一坐标。第二种做法大概是部署两个脚垫（相隔至少10米以上），所有队员依次踩两个脚垫，可以通过后台自动旋转将多个队员统一到一个坐标。
　　二是就纯惯导定位的精度来说，目前业内0.3%的精度相对比较高，但在大场景长距离情况下，由于惯导固有的漂移率，仍然会有较大的累积误差（如图4所示），需要外部的信息进行校准。
　　针对这两大问题，我这里分享下我们的两种解决方案，给大家做个参考：
　　（1） 通过地图匹配辅助微惯导定位；
　　（2） 采用外部蓝牙基站辅助微惯导定位。
　　如果可以获取应急任务场景的建筑物室内地图信息，结合地图匹配技术，利用基于地图信息的粒子滤波自动学习路径算法，校准惯导定位中的残余误差并标定多个，实现长时间稳定定位，可进一步减少辅助定位基站数量，降低定位系统复杂度。
　　采用外部蓝牙基站辅助定位，我们目前是以微惯导定位为主，通过间或获取的基站蓝牙信号进行校准，被定位人员在建筑物内结合自身的惯导数据和间或获取的基站信息，来获取一个稳定的高精度定位结果，同时实现了多人轨迹标定，实际测试结果体验就会比较好。这里需要考虑一个问题，就是辅助基站布设的灵活性和快捷性。
　　蓝牙也可用于室内定位，但是信号发射范围比较小，而且容易受到环境包括人体的遮挡和干扰，定位精度不高，一般在3米左右；但蓝牙设备轻巧，成本低，布设起来较为方便，这对于应急任务来说是一大优势。所以以高精度惯导定位为主，辅以便于临时布设的蓝牙信标，有望解决应急任务场合的室内定位现场快速部署的问题。
　　下面是采用高精度的微惯导定位模块结合蓝牙信标做的外场试验，通过自主开发的iNav智能定位引擎进行数据融合。
　　图4 纯惯导定位的结果 & & & & & & & & & &图5 惯导+蓝牙定位的结果
　　在一个大型百货商场中，面积约200米*300米的范围内总共只部署了3个蓝牙信标，图5中红色所标示的为信标的位置。进行了约1个半小时的自由行走，总计行程约6km，没有借助任何地图信息，可以实现长时间的高精度定位，定位误差最大的地方达到3.6米，90%以上时间定位误差均在2米内。惯导定位精度再高也是有漂移的，尤其在这种大场景下，1～2&的角度偏差就可以造成6～8米的位移偏差，蓝牙信标和惯导的数据经过iNav引擎融合优化后，将多人相对轨迹迅速统一到第一个人的坐标系，并且实现稳健的高精度定位。
　　其实讲到这里，我们选择提出&微惯导+蓝牙&室内定位解决方案的原因就很简单了&&部署简便，间或校准惯导漂移，自动实现多人轨迹方向对齐，无需任何地图信息融合，长时间维持在一个稳定的可接受的精度范围，是非常适合应急任务室内场景的。
　　实际使用时，第一个进入室内的应急任务人员，在室内一些关键位置（大门、楼梯拐角等）随意放置3～4个蓝牙，即可完成部署，后续队员的定位结果都可以依靠这几个蓝牙小标签起作用。
　　室内定位技术种类较多，但单靠一种技术无法完全解决实际问题，也无法同时满足成本低、精度高、覆盖广的需求。在未来相当长一段时间内，微惯导定位将是应急任务室内定位解决方案中的核心技术。
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基于Android手机的室内定位技术研究与实现
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室内定位是指当人或者物体在室内时，获取其位置信息的定位技术。由于
GPS(Global Positioning System)全球定位系统在全世界的普及，室外定位技术已经非
常成熟，但是，在室内接收的GPS信号非常微弱，甚至接收不到，故室内定位需要
采用新技术。目前，可用于室内定位的技术有很多，包括RFID、蓝牙、红外、UWB、
ZigBee、W语i和行人航迹推算PDR(Pedestrian Dead Reckoning)技术等。行人航迹推
算PDR技术是一种基于传感器信息计算行人相对位置的定位技术，它首先通过加
速度传感器检测行人的步数并估算出步长，然后通过磁阻传感器和陀螺仪计算出行
人的方位角，最后获取人体移动的相对位置从而实现定位。相较于其他室内定位方
法，行人航迹推算PDR不受外界环境影响，定位精度较高，但只能获取相对位置
信息，且存在累积误差；而WiFi定位是基于设备接收到的WiFi热点的信号强度，
来计算物体的位置信息，因此通过WiFi定位可获取绝对位置信息，可用来减小PDR
定位累积误差，但是WiFi定位精度易受外界环境的影响。因此本文使用行人航迹
推算PDR和WiFi联合定位技术，实现高精度和高稳定性的室内定位。此外，由于
点已经广泛存在于室内空间，因此此种联合定位方式一般不需要额外布置其
他硬件设备。
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室内导航现在是个热门话题，现在的消费者对于场景的需求越来越高，他的发展是呈爆炸式增长的速度，上海微肯鲜老虎对于这个技术的研究很透彻；下方长文请注意一、&&&为什么需要室内定位&&&&当您看到这篇文章时，恭喜您，您正在关注目前全世界最新的技术之一室内定位，为何这样说呢？你知道我们一生当中80%的时间是待在室内，但GPS却不能在室内运作。&&&&人们对周遭环境不了解是会有恐惧感的，尤其在室内的封闭空间更加如此。想一想你曾在地下停车场花了多少时间找路？那种找不到出口出去的感觉是不是很糟？&&&&GPS解决了我们户外迷路的问题，但室内呢？&&&&&当然了，室内定位导航是基本功能，室内定位真正吸引人的地方是它让所有在室内发生的事件多了一个空间的维度。想想看，你在看任何事件最会先看什么？这事件在“哪里”发生？“何时”发生的？记录事件发生的“位置”是非常重要的一件事情。例如：l&&大型商场中的商户能够通过室内定位技术获知哪些地方人流量最大，客人们通常会选择哪些行动路线等，从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。l&&商店希望消费者进店消费时可以主动发送一些促销折扣，可以应用到手机购物、移动电子商务、个性化广告/优惠信息。用户会希望能够直接获取商店或者所需产品的位置。其次，室内定位在机场、医院、大型商场、会展中心、大型停车场都可以有非常广泛的应用，l&&另一个福音，家长不用再担心孩子在商场中走失，通过室内定位技术可以实时定位孩子的位置。&&&&最终回归到人与物、物与人以及人与人的连结，在这当中可想而知，有室内定位才可将这些连结快速结合起来，足以看得出室内定位扮演的关键角色。室内定位的应用其实还不限于这些，这项技术可以影响着你生活的方方面面。多方面的需求推动了室内定位技术的发展。二、&&&室外定位技术简介目前常用的室外定位方式有：一种是基于人造卫星的定位，一种是基于移动运营网的基站的定位。1.&卫星定位&&&&卫星定位有四大系统，美国的GPS系统、欧盟的伽利略定位系统（Galileo）、俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗卫星导航定位系统。GPS又称为全球定位系统（Global&PositioningSystemGPS）。GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。2.&基站定位&&&&基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务LBS，它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。基站定位则是利用基站对手机的距离的测算来确定手机位置的。大致原理为：移动电话测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA（Time&of&Arrival，到达时刻）或TDOA(Time&Difference&of&Arrival，到达时间差)，根据该测量结果并结合基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出移动电话的位置。基站定位的精度较低，但是可以在室内定位。&&&&基于室外定位技术比较成熟，大家也比较了解，篇幅有限，不多介绍。三、&&&室内定位技术简介&&&&&&上文简单介绍下室外定位技术，室外定位技术成熟、市场机制良好、应用广泛。然而室内无GPS信号无法进行定位，但人们大部分时间是处在室内，故对室内定位也有强烈的定位需求。室内定位的技术分支多样，下图是各种室内定位方案的对比图：&再来看看各种室内定位方案的不同参数指标对比表，如下表格：&&&&简单介绍下各种室内定位方案：1、&&UWB（超宽带）脉冲信号，由多个传感器采用TDOA和AOA定位算法对标签位置进行分析，多径分辨能力强、精度高，定位精度可达厘米级。但UWB难以实现大范围室内覆盖，且手机不支持UWB，定位成本非常高。2、&&RFID的定位，采用刷卡方式，根据阅读器位置对刷卡人员或设备进行区间定位。主要应用在仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上、ETC、办公考勤等，无法进行实时定位，定位精确度低，不具有通信能力，抗干扰能力较差。3、&&ZigBee室内定位技术通过若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网，每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位。作为一个低功耗和低成本的通信系统，ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较高，提高空间还很大。ZigBee室内定位已经被很多大型的工厂和车间作为人员在岗管理系统所采用。4、&&超声波定位应用案例的代表是Shopkic，在商店内安装超声波信号盒，手机麦克风检测到声波，从而实现定位，主要用于店铺的签到。超声波在空气中的衰减较大，不适用于大型场合，加上反射测距时受多径效应和非视距传播影响很大，造成需要精确分析计算的底层硬件设施投资，成本太高。5、&&惯导由于手机初始姿态的不确定性和手机惯性传感器精度问题，室内定位效果不佳。现在越来越多的人用自主惯性传感器定位导航进行辅助导航，特别是IOS手机不开放RSSI等接口的情况下。6、&&LED定位系统通过往天花板上的LED灯具实现，灯具发出像莫斯电报密码一样的闪烁信号，再由用户智能手机照相机接收并进行检测，定位精度可以在1米之内。LED定位需要改造LED灯具，增加芯片，增加成本，红外线只能视距传播，穿透性极差也极易受灯光、烟雾等环境因素影响明显。定位效果有限。比较适用于实验室对简单物体的轨迹精确定位记录以及室内自走机器人的位置定位。尽管如此，LED定位是一种很有潜力的室内定位技术。7、&&Wi-Fi定位由于Wi-Fi网络的普及，变得非常流行。Wi-Fi定位可以达到米级定位（1~10米），&Wi-Fi定位技术有两种，一种是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆进行三角定位。另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置(“指纹”定位)。但是iOS不支持Wi-Fi室内定位(Apple把Wi-Fi底层的东西锁住了，开发者无法得知一些Wi-Fi重要讯息)，无法做到精准定位且响应速度不高。Wi-Fi定位适用于对人或者车的定位导航，可用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。目前市场上已逐步用ibeacon定位。8、&&地磁和计算机视觉定位的产品，目前这两类产品大多用于军事及科学探测，如军事上的水下导航常用的地磁导航，火星车的导航用到了计算机视觉导航。四、&&&室内无线定位算法&&&&面对这么多技术解决方案大家可能有点眼花缭乱，总结下室内无线定位算法技术基本上归结于以下几类：1、&&近邻法：最简单的方式，直接选定那个信号强度最大的AP的位置，定位结果是热点位置数据库中存储的当前连接的Wi-Fi热点的位置。2、&&三角测量法：通过信号的各种参数得到目标与AP的距离或者角度，用几何方法计算出位置。包括到达时间法、相对到达时间法、到达角度法、基于信号强度的测距方法，及其混合算法。3、&&指纹法：就是事先把各个位置上的信号特征（各Wi-Fi的信号强度）测量一遍，存入指纹数据库。定位的时候，将当前的信号特征与指纹库中的进行匹配，从而确定位置。从上面的叙述中可以看出，不管是室外定位还是室内定位，定位的基本原理是差不多的，就是在信号的传输上测算你的位置。不管是用时间，角度，衰减，还是别的方面，区别只是不同技术导致不同精度而已。从技术成熟与大规模应用的现实角度考虑，ibeacon蓝牙定位技术成为当前主流、也是未来最具发展潜力的室内定位技术手段之一。五、&&&如何实现室内定位导航精准定位实现精确的室内定位导航需要解决哪些问题？1.&&&室内定位精度实现较难，各种算法各有各缺陷。近邻法定位精度得不到保证；三角测量法理论上精度较高，但对于普通设备来说，时间、角度这些参数较难获取；基站覆盖范围大，角度偏一点就会造成很大误差，更何况各种非视距和多径环境的影响，精度误差大。所以现在手机室内高精度定位大多使用多种算法融合。2.&&&难点主要还是信号处理的问题:1）基于交汇的算法对时间，角度很敏感，手机的传感器不一定能达到要求。所以定位精度不高。2）指纹匹配技术虽然已经很成熟，但是对Wi-Fi信号的分布，楼层之间的影响。没有一个系统权威的标准。还处在研究阶段。比如，在不同楼层的定位问题，目前还没有很好的解决方案。3.&&&室内定位需要布设信号网，测定信号源位置。这都是需要成本的。成本问题也是一个难点。Wi-Fi定位成本较低，尤其是在大型商场，但其信号强度容易受到干扰，不稳定，从而使信号处理难度加大。六、&&&上海微肯室内导航解决方案6.1&&&蓝牙定位技术与算法iBeacon蓝牙方案采用低功耗的蓝牙传输方式，仅需钮扣电池即可运行，因此省去布电源线的麻烦，此外本身BTLE成本较为低廉，因此大量布建也不会有太高的部署费用。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。因此很容易推广普及。蓝牙定位技术---通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。再加上利用手机内部的惯性传感器如加速度计、陀螺仪、电子罗盘来加强定位的准确度，这种技术称为多种定位算法融合。顾名思义，就是将所有的传感器融合起来，得到一个精确且平滑的定位效果。这个技术可将原本5-10m的定位误差进一步缩小到1-2m。采用该技术作为室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。蓝牙定位技术主要分为三角定位法和指纹计算法。l&&三角定位算法是一种常规的定位算法，通过获取相关基站的坐标以及手机到每个基站的距离来计算用户位置。单纯的三角定位算法的准确性是不高的，需要引入一些其他算法例如高斯滤波、卡尔曼滤波算法来进行补充。l&&指纹计算法是一种利用余弦定理来计算相似度的方法，此方法并不需要知道每个基站的坐标，但是需要提前对现场进行指纹采集，即记录现场每个点位扫描到的基站信号数据并存储到专门的指纹库中。而用户使用过程中，将手机扫描到的基站信号上传到服务器，服务器在指纹库中匹配出和该上传数据最为接近的点位，作为定位坐标返回给用户。指纹计算由于前期采集指纹的工作量非常浩大，每隔一段还需更新一遍指纹，而且指纹算法必须采用服务端计算方式，定位延时大。综合比较采用蓝牙三角定位算法，效果优良的。&&6.2&&&系统结构蓝牙定位系统的架构如上图所示，数据库中存储了线下每个蓝牙基站的坐标信息，云服务器主要负责存储地图文件和定位算法。手机开启定位页面之后，从服务器获取地图、定位算法以及相关蓝牙基站的坐标。然后手机每扫描到一组蓝牙基站，通过基站的信号强度算出距离每个基站的距离，并加入蓝牙基站的坐标数据，进行三角定位算法计算，将实时计算的位置在地图上进行呈现。使用手机端而不是服务端来计算位置的优点是：1.&不需要进行数据上传，定位的实时性更加，几乎没有延时；2.&定位过程中不再产生任何流量。6.3&&&系统流程蓝牙室内定位系统如下图所示：6.4&&&蓝牙三角定位实际项目部署流程1、基站部署过程基站部署之前要完成地图绘制，通常用作室内定位导航的地图均为矢量地图，这种地图无论怎么缩放都不会影响地图的展现效果。矢量地图本身是带坐标信息的，地图上的每个点相对参考点都有一个相对坐标。基站部署需要借助部署工具，即一个手机App软件，部署人员使用部署工具从服务器获取矢量地图。部署人员部署基站时，在地图上选择和实际位置对应的点，App会自动从地图中抓取该点位的坐标，加上部署人员记录的基站编号，将数据一并上传到服务器。用户开启应用时，就会从数据库获取到相关基站的坐标数据，方便手机进行定位计算2、手机定位过程手机定位过程：用户打开应用开启蓝牙扫描后，会获取周围蓝牙基站的ID和信号强度等数据，根据信号强度和高频信号的衰减公式可以计算出手机到周围每个基站的距离。但是由于蓝牙是2.4G&HZ高频信号，信号本身的稳定性很差，再加上室内环境的各种反射和折射，所以单次的信号强度是不能直接拿来使用的，否则会产生巨大的误差，所以必须引入相应的滤波和加权算法，来尽量减少信号噪音的干扰。&&&&&&&&&滤波算法可以采用简单的高斯滤波法，将不符合要求的信号数据直接过滤掉，剩余的有效数据按照时间先后顺序进入数据列表，并采用先进先出的队列数据刷新方式。在设定的队列长度范围内，时间尺度上越近的数据获得越高的权重。同时采用多角定位算法，并不局限于使用三角定位。这样带来的优势是：l&&由于进行了数据平滑，定位点不会因为信号突变而发生大范围飘动；l&&由于采用了多角定位，当少数蓝牙基站发生信号跳变时，有其他基站的信号数据来做中和；l&&更近时间尺度的数据带有更高权重，可以在一定程度上保证定位的实时性。七、&&&上海微肯室内定位导航的优势从技术层面来说上海微肯微信H5室内导航的八大优势：1.技术方案成熟，实际落地案例多。世博园，长泰广场，成都太古里，上海一妇婴等十几个商场和医院的实际场景部署。&&2.定位精度高，达到2-3米。&&&&3.响应速度快&1秒刷新一次，实时导航平滑。&&4.目前为止，国内唯一可落地的微信H5导航方案公司，不需要安装APP。当然也支持多平台多入口，支持iOS&和Android设备，支持APP、微信、摇一摇。&&5.&接口丰富，可对接各种系统，包括停车场，商场会员等。&&&&6.配套工具丰富，部署设备简单易操作。包括配置工具、巡检工具、系统升级&。&&&&7.寿命长，设备支持长达4年以上续航。8.可同时支持丰富的营销功能和基于LBS的游戏等。八、&&&关于我们8.1&实际案例视频：1、世博源导航视址：&2、长泰导航视频址：&8.2&上海微肯网络科技有限公司简介：2014年5月，上海微肯成立，核心产品：微信室内定位导航。基于线下实体商场的智能ibeacon传感网络，精确感知消费者的实时位置和消费场景，帮助广大商户提高连接消费者、更好服务消费者的能力。2016年7月，鲜老虎与微肯合并后，首创线下2.0流量的互联网公司。作为iBeacon领域和线下流量事实领导者和第一名，全行业唯一一家全产业链的方案和服务提供商，合并后的新公司将以“领跑线下流量2.0革命”为己任，推动整个线下流量产业的升级和iBeacon行业的大发展，全面推进线下场景流量的持续探索，双方将全面围绕线下Mall、餐饮、交通、医疗、校园、银行等线下物理空间和城市生活服务媒体打造“大购物中心”互动场景矩阵平台，成为线下流量2.0时代最大的流量资产运营商和线下内容提供商。
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